Динамика: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (20) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Кинематика

Скорость
v = v0 + a·t
Перемещение
s = v0·t + ½·a·t²
Без времени
v² = v0² + 2·a·s
Единицы
1 m/s = 3,6 km/h

Метод

  1. Выпишите известное: v₀, v, a, t и s с единицами.
  2. Выберите уравнение, содержащее три известных величины и неизвестную.
  3. Выберите одно положительное направление и припишите противоположно направленным величинам знак минус.
  4. Решите и проверьте, что ответ физически разумен.

Законы Ньютона

Второй закон
ΣF = m·a
Вес
W = m·g
Трение скольжения
Ff = μ·N
На наклонной плоскости
вдоль: m·g·sin θ, по нормали: m·g·cos θ

Метод

  1. Нарисуйте расчётную схему со всеми силами, действующими на тело.
  2. Выберите положительное направление вдоль движения.
  3. Разложите силы на составляющие вдоль движения и перпендикулярно ему (на наклонной плоскости: m·g·sin θ вдоль, m·g·cos θ перпендикулярно плоскости).
  4. Примените ΣF = m·a вдоль движения; трение равно μ·N и направлено против движения.

Движение тела, брошенного под углом

Составляющие
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
Положение
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
Максимальная высота
H = h + vy²/(2g)
Дальность (ровная поверхность)
R = v0²·sin 2θ/g

Метод

  1. Разложите начальную скорость на составляющие: vx = v₀·cos θ и vy = v₀·sin θ.
  2. По горизонтали скорость постоянна; по вертикали ускорение равно −g.
  3. Найдите время полёта из вертикального движения.
  4. Подставьте это время в горизонтальное движение, чтобы найти дальность.

Движение по окружности

Центростремительное ускорение
a = v²/r = ω²·r
Центростремительная сила
F = m·v²/r
Угловая скорость
ω = v/r = 2π/T
Горизонтальный поворот, трение
vmax = √(μ·g·r)

Работа и энергия

Кинетическая энергия
Ek = ½mv²
Потенциальная энергия
Ep = mgh
Энергетический баланс
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
Работа силы трения
W = μ·N·d
Мощность
P = W/t

Импульс и столкновения

Импульс
p = m·v
Сохранение
Σm·v (before) = Σm·v (after)
Абсолютно неупругий удар
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
Импульс силы
J = F·Δt = m·Δv

Метод

  1. Выберите положительное направление и припишите каждой скорости её знак.
  2. Запишите полный импульс до удара: Σm·v.
  3. При абсолютно неупругом ударе тела после него движутся вместе; при упругом сохраняется ещё и кинетическая энергия.
  4. Приравняйте импульс до удара импульсу после и решите.

Вращение твёрдого тела

Моменты инерции относительно G
стержень mL²/12, диск ½mR², кольцо mR², сплошной шар (2/5)mR², полый шар (2/3)mR²
Теорема о параллельном переносе осей
I = IG + m·d²
Радиус инерции
I = m·k²
Стержень относительно конца
I = mL²/3
Уравнение движения
ΣM = I·α
Скорость в rad/s
ω = 2π·n/60
Кинетическая энергия
E = ½·I·ω²
Работа и мощность
W = T·θ, P = T·ω
Качение без проскальзывания
v = ω·r, E = ½mv²(1 + I/(mr²)), a = g·sin θ/(1 + I/(mr²))
Момент импульса
L = I·ω, I1ω1 = I2ω2
Удар по шарнирному телу
m·v·d = I·ω

Метод

  1. Выберите ось: неподвижный шарнир или центр масс для катящихся тел.
  2. Найдите момент инерции относительно этой оси по стандартным результатам, используя I = IG + m·d² для смещённой оси.
  3. Выберите метод: ΣM = I·α для ускорений и сил, энергия (½·I·ω² + ½·m·v² + m·g·h) для скоростей, момент импульса для ударов и внезапных изменений.
  4. Свяжите линейное и угловое движение формулами v = ω·r и a = α·r и переведите rpm в rad/s.

Зубчатые колёса и передачи

Зацепление колёс
n1·N1 = n2·N2
Крутящий момент
T2 = T1·(N2/N1)·η
Мощность
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Многоступенчатая передача
общее передаточное отношение = произведение передаточных отношений ступеней

Пружины и маятники

Груз на пружине
T = 2π·√(m/k)
Маятник
T = 2π·√(L/g)
Угловая частота
ω = √(k/m) = 2π/T
Наибольшие скорость и ускорение
vmax = A·ω, amax = A·ω²
Энергия
E = ½·k·A²

Механические колебания

Собственная частота
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
По статическому прогибу
ωn = √(g/δst)
Критическое демпфирование
cc = 2√(km) = 2mωn
Коэффициент демпфирования
ζ = c/cc
Частота затухающих колебаний
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Логарифмический декремент
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Параллельные пружины
k = k1 + k2
Последовательные пружины
1/k = 1/k1 + 1/k2

2Тренировочные задачи

1.КинематикаСредняя
t (s)v (m/s)3,704 s22,22

Автомобиль, едущий со скоростью 80 km/h, тормозит с постоянным замедлением 6 m/s² до полной остановки. Найдите тормозной путь s.

v₀ = 80 km/ha = −6 m/s²v = 0
s = m
2.КинематикаСложная
a = 26 m/s²

Модель ракеты запускают вертикально вверх из состояния покоя. Двигатель сообщает ей постоянное ускорение 26 m/s², направленное вверх, в течение 1,5 s, после чего двигатель выключается и ракета движется свободно. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую высоту hmax, которой достигает ракета.

a = 26 m/s²t1 = 1,5 sg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Законы НьютонаСредняя
7 kg0,5 kg

Грузы массами 7 kg и 0,5 kg висят по обе стороны лёгкого блока без трения и связаны лёгкой нитью. Систему отпускают из состояния покоя. Примите g = 9,81 m/s². Найдите ускорение a грузов.

m1 = 7 kgm2 = 0,5 kgg = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Законы НьютонаСложная
5 kg1 kgTF = 130 Nμ = 0,2

Два бруска на горизонтальном полу связаны лёгкой горизонтальной нитью. Горизонтальная сила 130 N тянет передний брусок массой 1 kg; брусок массой 5 kg тащится сзади. Коэффициент трения скольжения для обоих брусков равен 0,2. Примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения T соединительной нити.

m1 = 5 kgm2 = 1 kgF = 130 Nμ = 0,2g = 9,81 m/s²
T = N
5.Движение тела, брошенного под угломСредняя
v0​ = 38 m/sθ = ?R = 80 m

Мяч бросают с горизонтальной поверхности со скоростью 38 m/s, и он должен упасть на расстоянии 80 m. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите меньший из двух возможных углов броска θ.

v₀ = 38 m/sR = 80 mg = 9,81 m/s²
θ = °
6.Движение тела, брошенного под угломСложная
3 mv0​ = 39 m/s45°x = ?

Мяч бросают с уровня земли со скоростью 39 m/s под углом 45° к горизонту. Он падает на плоскую крышу здания высотой 3 m, уже опускаясь. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите горизонтальное расстояние x от точки броска до места падения.

v₀ = 39 m/sθ = 45°hroof = 3 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Движение по окружностиСредняя
r = 115 mvmax​ = ?

Автомобиль проходит горизонтальный поворот радиусом 115 m. Коэффициент трения покоя между шинами и дорогой 0,3. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольшую скорость vmax, с которой автомобиль может пройти поворот без заноса.

r = 115 mμs = 0,3g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Движение по окружностиСложная
r = 1,2 m9 m/svtop​ = ?

Шарик массой 0,6 kg на лёгкой нити длиной 1,2 m вращают по вертикальной окружности. В нижней точке его скорость 9 m/s. Пренебрегите сопротивлением воздуха и примите g = 9,81 m/s². Найдите силу натяжения Ttop нити в верхней точке.

m = 0,6 kgr = 1,2 mvbottom = 9 m/sg = 9,81 m/s²
Ttop = N
9.Работа и энергияСредняя
50°L = 0,5 m5 kg

Шарик массой 5 kg висит на лёгкой нити длиной 0,5 m. Его отводят в сторону, пока нить не составит 50° с вертикалью, и отпускают без начальной скорости. Найдите силу натяжения T нити в момент прохождения шариком нижней точки.

m = 5 kgL = 0,5 mθ = 50°g = 9,81 m/s²
T = N
10.Работа и энергияСложная
h = 12 mR = 3 mN = ?

Тележку массой 0,5 kg отпускают без начальной скорости на высоте 12 m на гладкой трассе, переходящей в вертикальную «мёртвую петлю» радиусом 3 m. Найдите силу нормальной реакции N, с которой трасса действует на тележку в верхней точке петли.

m = 0,5 kgh = 12 mR = 3 mg = 9,81 m/s²
N = N
11.Импульс и столкновенияСредняя
2000 kg10 m/s1300 kg

Автомобиль массой 2000 kg, движущийся со скоростью 10 m/s, налетает на стоящий автомобиль массой 1300 kg, и они сцепляются. Какая кинетическая энергия ΔK теряется при столкновении?

m1 = 2000 kgv1 = 10 m/sm2 = 1300 kgv2 = 0
ΔK = J
12.Импульс и столкновенияСложная
8 m/s10 m/s

Мяч массой 0,35 kg ударяется о стену со скоростью 8 m/s и отскакивает прямо назад со скоростью 10 m/s. Контакт длится 5 ms. Найдите модуль импульса силы J, который стена сообщает мячу.

m = 0,35 kgvin = 8 m/svout = 10 m/sΔt = 5 ms
J = N·s
13.Вращение твёрдого телаСредняя
n = 1800 rpmTb​ = 125 N·mI = 5,5 kg·m²

Маховик с моментом инерции 5,5 kg·m² вращается с частотой 1800 rpm. Тормоз создаёт постоянный момент трения 125 N·m. За какое время t он остановится?

I = 5,5 kg·m²n = 1800 rpmTb = 125 N·m
t = s
14.Вращение твёрдого телаСложная
160 m/s10 g0,2 mL = 0,5 m1 kgφ

Однородный тонкий стержень массой 1 kg и длиной 0,5 m неподвижно висит на шарнире без трения в своём верхнем конце. Пуля массой 10 g, летящая горизонтально со скоростью 160 m/s, попадает в стержень на 0,2 m ниже шарнира и застревает в нём. Примите g = 9,81 m/s². Найдите наибольший угол φ отклонения стержня от вертикали.

M = 1 kgL = 0,5 mm = 10 gv = 160 m/sd = 0,2 mg = 9,81 m/s²
φ = °
15.Зубчатые колёса и передачиСредняя
Nw​ = 60z = 4, 1450 rpm

Червяк с числом заходов 4 вращается с частотой 1450 rpm и приводит червячное колесо с 60 зубьями. Найдите частоту вращения nw колеса.

z = 4Nw = 60n = 1450 rpm
nw = rpm
16.Зубчатые колёса и передачиСложная
A = 50B = 60C = 12D = 80

В многоступенчатой зубчатой передаче колесо A (50 зуб.) на входном валу вращается с частотой 2900 rpm и приводит колесо B (60 зуб.). Колесо C (12 зуб.) закреплено на одном валу с B и приводит колесо D (80 зуб.) на выходном валу. Найдите выходную частоту вращения nout.

nin = 2900 rpmA = 50B = 60C = 12D = 80
nout = rpm
17.Пружины и маятникиСредняя
2,3 kgk = 190 N/mA = 6 cmx = 3 cm

Груз массой 2,3 kg на пружине с k = 190 N/m колеблется на поверхности без трения с амплитудой 6 cm. Найдите его скорость v на расстоянии 3 cm от положения равновесия.

m = 2,3 kgk = 190 N/mA = 6 cmx = 3 cm
v = m/s
18.Пружины и маятникиСложная
2,4 kgk = 230 N/mA = 2 cm

Груз массой 2,4 kg на пружине с k = 230 N/m оттягивают на 2 cm от положения равновесия и отпускают. Найдите его наибольшую скорость vmax.

m = 2,4 kgk = 230 N/mA = 2 cm
vmax = m/s
19.Механические колебанияСредняя
k = 100 kN/mc = 710 N·s/mm = 20 kg

Груз массой 20 kg опирается на пружину жёсткостью 100 kN/m и вязкий демпфер с коэффициентом демпфирования 710 N·s/m. Найдите относительный коэффициент демпфирования ζ.

m = 20 kgk = 100 kN/mc = 710 N·s/m
ζ =
20.Механические колебанияСложная
k1​ = 12k2​ = 40k3​ = 100m = 10 kg

Груз массой 10 kg висит на пружине k₃ = 100 kN/m. Верх k₃ прикреплён к жёсткой балке, подвешенной на двух расположенных рядом пружинах k₁ = 12 kN/m и k₂ = 40 kN/m; балка остаётся горизонтальной. Пренебрегите демпфированием и массами пружин и балки. Найдите собственную частоту fn вертикальных колебаний в Hz.

m = 10 kgk1 = 12 kN/mk2 = 40 kN/mk3 = 100 kN/m
fn = Hz

3Растворы

1.Кинематика

Ответ: s = 41,15 m

Движение с постоянным ускорением: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² и v² = v₀² + 2·a·s. Выберите уравнение, в которое входят три известные величины и искомая, и следите за знаками относительно одного положительного направления.

Единицы

v₀ = 80/3,6 = 22,22 m/s

Тормозной путь

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 22,22²/(2·6) = 41,15 m

Ответ

s = 41,15 m
2.Кинематика

Ответ: hmax = 106,8 m

Движение с постоянным ускорением: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² и v² = v₀² + 2·a·s. Выберите уравнение, в которое входят три известные величины и искомая, и следите за знаками относительно одного положительного направления.

Активный участок

v₁ = 26·1,5 = 39 m/s
h₁ = ½·26·1,5² = 29,25 m

Свободный полёт вверх

В наивысшей точке скорость равна нулю.

Δh = v₁²/(2g) = 39²/(2·9,81) = 77,52 m
hmax = 29,25 + 77,52 = 106,8 m

Ответ

hmax = 106,8 m
3.Законы Ньютона

Ответ: a = 8,502 m/s²

Второй закон Ньютона: равнодействующая сил, действующих на тело, равна произведению его массы на ускорение, ΣF = m·a. Нарисуйте расчётную схему, выберите положительное направление вдоль движения и сложите все силы в этом направлении: приложенные силы, трение μ·N против движения и составляющие силы тяжести.

Ускорение

Движущая равнодействующая — это разность весов; она разгоняет полную массу.

a = (7 − 0,5)·9,81/(7 + 0,5) = 8,502 m/s²

Ответ

a = 8,502 m/s²
4.Законы Ньютона

Ответ: T = 108,3 N

Второй закон Ньютона: равнодействующая сил, действующих на тело, равна произведению его массы на ускорение, ΣF = m·a. Нарисуйте расчётную схему, выберите положительное направление вдоль движения и сложите все силы в этом направлении: приложенные силы, трение μ·N против движения и составляющие силы тяжести.

Вся система

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (130 − 11,77)/6 = 19,7 m/s²

Только задний брусок

T = m1·(a + μ·g) = 5·(19,7 + 1,962) = 108,3 N

Ответ

T = 108,3 N

При одинаковом μ для обоих брусков трение выпадает: T = F·m₁/(m₁ + m₂).

5.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: θ = 16,46 °

Движение тела, брошенного под углом: без сопротивления воздуха x = vxt и y = h + vyt − ½gt². Оба направления независимы, их связывает только общее время.

Формула дальности

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9,81·80/38² = 0,5435

Угол

2θ = 32,92° → θ = 16,46°

Ответ

θ = 16,46°

Второе решение: 90° − θ = 73,54°.

6.Движение тела, брошенного под углом

Ответ: x = 152 m

Движение тела, брошенного под углом: без сопротивления воздуха x = vxt и y = h + vyt − ½gt². Оба направления независимы, их связывает только общее время.

Разложите начальную скорость

vx = 27,58 m/s, vy = 27,58 m/s

Время до падения на крышу

Больший корень: мяч опускается.

3 = 27,58·t − 4,905·t²
t = (27,58 + √(27,58² − 2·9,81·3))/9,81 = 5,511 s

Горизонтальное расстояние

x = vx·t = 27,58·5,511 = 152 m

Ответ

x = 152 m
7.Движение по окружности

Ответ: vmax = 18,4 m/s

Равномерное движение по окружности: тело, движущееся со скоростью v по окружности радиуса r, имеет ускорение a = v²/r, направленное к центру, поэтому на него должна действовать направленная к центру равнодействующая сила F = m·v²/r. Эту силу создаёт что-то реальное: трение, натяжение, сила тяжести или сила нормальной реакции.

Трение создаёт центростремительную силу

m·v²/r = μ·m·g
v = √(μ·g·r) = √(0,3·9,81·115) = 18,4 m/s

Ответ

vmax = 18,4 m/s (66,23 km/h)
8.Движение по окружности

Ответ: Ttop = 11,07 N

Равномерное движение по окружности: тело, движущееся со скоростью v по окружности радиуса r, имеет ускорение a = v²/r, направленное к центру, поэтому на него должна действовать направленная к центру равнодействующая сила F = m·v²/r. Эту силу создаёт что-то реальное: трение, натяжение, сила тяжести или сила нормальной реакции.

Скорость в верхней точке

Кинетическая энергия переходит в потенциальную на высоте 2r.

vtop² = 9² − 4·9,81·1,2 = 33,91 m²/s²

Силы в верхней точке

Сила натяжения и сила тяжести обе направлены вниз, к центру.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 0,6·33,91/1,2 − 0,6·9,81 = 11,07 N

Ответ

Ttop = 11,07 N
9.Работа и энергия

Ответ: T = 84,09 N

Теорема об изменении кинетической энергии: изменение кинетической энергии равно работе всех сил. Если записать тяжесть и пружины как потенциальную энергию (mgh и ½kx²), получается баланс: начальная энергия = конечная энергия + энергия, потерянная на трение (μN·d). При движении по окружности равнодействующая, направленная к центру, должна быть равна mv²/r.

Скорость в нижней точке

v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9,81·0,5·(1 − cos 50°) = 3,504 m²/s²

Силы в нижней точке

m·g = 5·9,81 = 49,05 N
T = mg + mv²/L = 49,05 + 5·3,504/0,5 = 84,09 N

Ответ

T = 84,09 N

Проверка: T = mg(3 − 2cos θ) = 84,09 N.

10.Работа и энергия

Ответ: N = 14,71 N

Теорема об изменении кинетической энергии: изменение кинетической энергии равно работе всех сил. Если записать тяжесть и пружины как потенциальную энергию (mgh и ½kx²), получается баланс: начальная энергия = конечная энергия + энергия, потерянная на трение (μN·d). При движении по окружности равнодействующая, направленная к центру, должна быть равна mv²/r.

Скорость в верхней точке

v² = 2g(h − 2R) = 2·9,81·(12 − 6) = 117,7 m²/s²

Силы в верхней точке

m·g = 0,5·9,81 = 4,905 N
N = mv²/R − mg = 0,5·117,7/3 − 4,905 = 14,71 N

Ответ

N = 14,71 N

Тележка едва проходит петлю при h = 2,5R; тогда в верхней точке N = 0.

11.Импульс и столкновения

Ответ: ΔK = 39394 J

Закон сохранения импульса: если во время столкновения внешние силы не действуют, суммарный импульс Σm·v до столкновения равен суммарному импульсу после. Скорость имеет направление, поэтому выберите положительное направление и скорости, направленные в противоположную сторону, берите со знаком минус. При упругом столкновении сохраняется и кинетическая энергия; при абсолютно неупругом тела слипаются.

Общая скорость

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 2000·10/3300 = 6,061 m/s

Кинетическая энергия до и после

Kbefore = ½·2000·10² = 100000 J
Kafter = ½·3300·6,061² = 60606 J

Потерянная энергия

ΔK = 100000 − 60606 = 39394 J

Ответ

ΔK = 39394 J

Потерянная энергия идёт на деформацию, теплоту и звук.

12.Импульс и столкновения

Ответ: J = 6,3 N·s

Закон сохранения импульса: если во время столкновения внешние силы не действуют, суммарный импульс Σm·v до столкновения равен суммарному импульсу после. Скорость имеет направление, поэтому выберите положительное направление и скорости, направленные в противоположную сторону, берите со знаком минус. При упругом столкновении сохраняется и кинетическая энергия; при абсолютно неупругом тела слипаются.

Изменение импульса

J = m·Δv = 0,35·(10 + 8) = 6,3 N·s

Ответ

J = 6,3 N·s
13.Вращение твёрдого тела

Ответ: t = 8,294 s

Вращение вокруг неподвижной оси: сумма моментов относительно оси равна I·α (ΣM = I·α), так же как ΣF = m·a при поступательном движении. В энергетической форме момент T, поворачивающий тело на угол θ (в радианах), совершает работу T·θ, которая изменяет кинетическую энергию ½·I·ω²; сила тяжести добавляет или отнимает m·g·Δh центра масс. Мощность равна P = T·ω.

Угловая скорость

ω = 2π·1800/60 = 188,5 rad/s

Замедление и время

α = Tb/I = 125/5,5 = 22,73 rad/s²
t = ω/α = 188,5/22,73 = 8,294 s

Ответ

t = 8,294 s
14.Вращение твёрдого тела

Ответ: φ = 41,18 °

Качение и момент импульса: тело, катящееся без проскальзывания, имеет v = ω·r, поэтому его кинетическая энергия равна ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). При движении по наклонной плоскости это даёт a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). Когда относительно оси не действует внешний момент, момент импульса относительно этой оси сохраняется, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, даже если кинетическая энергия теряется.

Момент инерции после удара

I = M·L²/3 + m·d² = 1·0,5²/3 + 0,01·0,2² = 0,08373 kg·m²

Момент импульса относительно шарнира

Сила в шарнире проходит через шарнир, поэтому во время удара её момент относительно него равен нулю.

m·v·d = I·ω → ω = 0,01·160·0,2/0,08373 = 3,822 rad/s

Энергия при качании

½·I·ω² = ½·0,08373·3,822² = 0,6115 J
(M·g·L/2 + m·g·d)·(1 − cos φ) = 2,472·(1 − cos φ)
cos φ = 1 − 0,6115/2,472 = 0,7527 → φ = 41,18°

Ответ

φ = 41,18°
15.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nw = 96,67 rpm

Зубчатые передачи: у зацепляющихся колёс скорость в точке контакта зубьев одинакова, поэтому n₁·N₁ = n₂·N₂: колесо с меньшим числом зубьев вращается быстрее. Колёса на одном валу вращаются с одинаковой частотой. Мощность передаётся дальше (за вычетом потерь), поэтому при уменьшении частоты вращения крутящий момент растёт: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, а P = T·ω, где ω = 2π·n/60.

Частота вращения колеса

nw = n·z/Nw = 1450·4/60 = 96,67 rpm

Ответ

nw = 96,67 rpm
16.Зубчатые колёса и передачи

Ответ: nout = 362,5 rpm

Зубчатые передачи: у зацепляющихся колёс скорость в точке контакта зубьев одинакова, поэтому n₁·N₁ = n₂·N₂: колесо с меньшим числом зубьев вращается быстрее. Колёса на одном валу вращаются с одинаковой частотой. Мощность передаётся дальше (за вычетом потерь), поэтому при уменьшении частоты вращения крутящий момент растёт: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, а P = T·ω, где ω = 2π·n/60.

Первая ступень

nB = 2900·50/60 = 2417 rpm = nC

Вторая ступень

nout = 2417·12/80 = 362,5 rpm

Ответ

nout = 362,5 rpm

общее передаточное отношение = 8 : 1

17.Пружины и маятники

Ответ: v = 0,4723 m/s

Гармонические колебания: груз массой m на пружине жёсткостью k колеблется с угловой частотой ω = √(k/m) и периодом T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Математический маятник длиной L имеет период T = 2π·√(L/g). При амплитуде A наибольшая скорость равна A·ω, наибольшее ускорение — A·ω², а энергия — ½·k·A².

Угловая частота

ω = √(190/2,3) = 9,089 rad/s

Скорость в точке x

v = ω·√(A² − x²) = 9,089·√(0,06² − 0,03²) = 0,4723 m/s

Ответ

v = 0,4723 m/s
18.Пружины и маятники

Ответ: vmax = 0,1958 m/s

Гармонические колебания: груз массой m на пружине жёсткостью k колеблется с угловой частотой ω = √(k/m) и периодом T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Математический маятник длиной L имеет период T = 2π·√(L/g). При амплитуде A наибольшая скорость равна A·ω, наибольшее ускорение — A·ω², а энергия — ½·k·A².

Угловая частота

ω = √(230/2,4) = 9,789 rad/s

Наибольшая скорость

vmax = A·ω = 0,02·9,789 = 0,1958 m/s

Ответ

vmax = 0,1958 m/s
19.Механические колебания

Ответ: ζ = 0,251

Свободные колебания системы «масса–пружина»: собственная частота без демпфирования ωn = √(k/m) в rad/s и fn = ωn/(2π) в Hz. Вязкий демпфер c даёт коэффициент демпфирования ζ = c/cc, где критическое демпфирование cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Система со слабым демпфированием (ζ < 1) колеблется с частотой ωd = ωn·√(1 − ζ²). Жёсткости параллельных пружин складываются, k = k₁ + k₂; у последовательных складываются обратные величины, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Критическое демпфирование

cc = 2·√(k·m) = 2·√(100000·20) = 2828 N·s/m

Коэффициент демпфирования

ζ = c/cc = 710/2828 = 0,251

Ответ

ζ = 0,251

ζ < 1, поэтому демпфирование слабое, и система совершает затухающие колебания.

20.Механические колебания

Ответ: fn = 9,309 Hz

Свободные колебания системы «масса–пружина»: собственная частота без демпфирования ωn = √(k/m) в rad/s и fn = ωn/(2π) в Hz. Вязкий демпфер c даёт коэффициент демпфирования ζ = c/cc, где критическое демпфирование cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Система со слабым демпфированием (ζ < 1) колеблется с частотой ωd = ωn·√(1 − ζ²). Жёсткости параллельных пружин складываются, k = k₁ + k₂; у последовательных складываются обратные величины, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Эквивалентная жёсткость

Параллельно соединены только k1 и k2. Эта пара соединена последовательно с k3, поэтому складывайте обратные величины.

k12 = 12 + 40 = 52 kN/m
keq = 52·100/(52 + 100) = 34,21 kN/m

Собственная частота

ωn = √(34211/10) = 58,49 rad/s
fn = 58,49/(2π) = 9,309 Hz

Ответ

fn = 9,309 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics